Se propose d’étudier l’intervention du facteur «temps» dans les transformations chimiques








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date de publication25.04.2017
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CHAPITRE 11 : TEMPS ET ÉVOLUTION CHIMIQUE : CINÉTIQUE ET CATALYSE

  1. TRANSFORMATIONS LENTES ET RAPIDES

Certaines transformations sont rapides [ Cu2+(aq) + 2 HO-(aq) Cu(OH)2 (s)] d’autres sont lentes

[2 MnO4-(aq) + 6 H+(aq) + 5 H2C2O4(aq)  2 Mn2+(aq) + 8 H2O (l) + 10 CO2(g) ] voire très lente (vieillissement du vin) ou infiniment lente.

La cinétique chimique se propose d’étudier l’intervention du facteur « temps » dans les transformations chimiques.

  1. FACTEURS CINÉTIQUES

II-1) La température

II-1-1) Transformation étudiée

Action du peroxyde d’hydrogène H2O2(aq) sur les ions iodure I-(aq). Il s’agit d’une réaction d’oxydoréduction.

H2O2(aq)/H2O(l) :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………

I2(aq)/I-(aq) :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Équation de la réaction :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………

II-1-2) Expérience



II-1-3) Observation

La coloration brune due au diiode (I2) formé est plus …………………………………………… dans l’erlenmeyer B que dans l’erlenmeyer A.

II-1-4) Interprétation et généralisation

Le diiode se forme plus …………………………………………… dans l’erlenmeyer B que dans l’erlenmeyer A.

Généralisation :

II-2) La concentration

II-2-1) Transformation étudiée

Action d’une solution d’acide chlorhydrique (H+(aq)+Cl-(aq)) sur les ions thiosulfates S2O32- (aq). Il s’agit s’une réaction d’oxydoréduction.

S2O32-(aq)/S(s) :

………………………………………………………………………………………………………………………………………..

SO2(aq)/S2O32-(aq) :

……………………………………………………………………………………………………………………………………….

Équation de la réaction :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………

N.B. : S2O32- est à la fois oxydant et réducteur : la réaction d’oxydoréduction est appelée réaction de dismutation.

II-2-2) Expérience

Voir schémas à la page suivante

II-2-3) Observation

La formation de soufre …………………………………….. les béchers.

Le bécher A s’…………………………………….. plus ……………………………………..que le bécher B.

II-2-4) Interprétation et généralisation

Le soufre se forme plus …………………………………….. dans le bécher A que dans le bécher B.

Généralisation :

Schémas du paragraphe II-2-2)




t0 = 0s




t1 > t0

Vue de dessus








50 mL de [H+(aq)+Cl-(aq) à 1,0 mol.L-1

+ 50 mL de [2Na+(aq)+S2O32-(aq)] à 0,1 mol.L-1




















Vue de dessus








50 mL de [H+(aq)+Cl-(aq) à 0,1 mol.L-1

+ 50 mL de [2Na+(aq)+S2O32-(aq)] à 0,1 mol.L-1








II-3) Autres facteurs

Éclairement et solvant : voir paragraphe 2.3 page 236 de votre livre

III) METHODES DE SUIVI DE L’EVOLUTION D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE

III-1) Suivi qualitatif par CCM

On réalise des chromatographies sur couche mince (CCM) à divers instants. Les taches correspondant aux réactifs disparaissent progressivement, tandis que les taches correspondant aux produits apparaissent ce qui permet d’évaluer la durée de la transformation.

Exemple :

Le paracétamol, principe actif de nombreux médicaments, est synthétisé grâce à la réaction d’équation :

noname01.bmp

Une CCM est effectuée en réalisant les dépôts suivants :

  • 1 : para-aminophénol ;

  • 2 : chlorure d’éthanoyle ;

  • 3 à 6 : milieu réactionnel aux dates successives de 5, 10, 15 et 20 minutes ;

  • 7 paracétamol pur du commerce.

Après élution, la plaque est révélée par UV. Elle est représentée ci-dessous :



  1. Estimer la durée de cette transformation. Justifier.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

  1. Comment pourrait-on expérimentalement améliorer la précision de cette estimation ?

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

III-2) Suivi quantitatif

On mesure à des instants déterminés t0, t1, t2, t3, etc., la quantité de matière (ou la concentration) d’un réactif R ou d’un produit P. On obtient alors une courbe n(R)=f(t) ou n(P)=f(t) ou [R]=f(t) ou [P]=f(t).


Produit

Réactif


N.B. Les graduations sont en unités arbitraires.

Les méthodes qui permettent de déterminer la variation de la quantité de matière (ou de la concentration) sont extrêmement variées :

  • Méthodes physiques : conductimétrie (voir activité expérimentale 1), spectrométrie, pH-métrie, mesure de pression, etc.

  • Méthodes chimiques : titrage d’un des réactifs ou d’un des produits à différentes dates t.

III-3) Temps de demi-réaction-Durée d’une réaction

III-3-1) Temps de demi-réaction

Soit x (en mol) l’avancement de la réaction étudiée.

Que l’on réalise un suivi par méthode chimique ou physique l’utilisation d’un tableau d’avancement permet en général, à partir des mesures effectuées, (n = f(t) ou [X]=f(t) ou A =f(t) ou pH = f(t) ou  = f(t), etc. ) de tracer la courbe x = f(t).

Voir exercice du § III-3-3 et l’activité expérimentale 1..

Déterminer graphiquement le temps de demi-réaction correspondant à la réaction (hypothétique) dont la courbe représentant l’avancement en fonction du temps (x = g(t)) est donnée ci-dessus.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

III-3-2) Durée d’une réaction

Le temps de demi-réaction t1/2 permet d’évaluer la durée nécessaire à l’achèvement de la transformation chimique étudiée.

L’expérience montre qu’une réaction cesse pratiquement d’évoluer au bout d’une durée de l’ordre de quelques t1/2 (d’une dizaine à quelques dizaines, selon la réaction considérée et la précision cherchée).

III-3-3) Exercice (á faire à la maison)

ÉTUDE CINÉTIQUE PAR SUIVI SPECTROPHOTOMÉTRIQUE


D’après Bac Polynésie 2003

On se propose d’étudier la cinétique de la transformation lente de décomposition de l’eau oxygénée par les ions iodure en présence d’acide sulfurique, transformation considérée comme totale.

L’équation de la réaction qui modélise la transformation d’oxydoréduction s’écrit :

H2O2(aq) + 2 I(aq) + 2 H3O+(aq)  I2(aq) + 4 H2O(l)

La solution de diiode formée étant colorée, la transformation est suivie par spectrophotométrie, méthode qui consiste à mesurer l'absorbance A de la solution, grandeur proportionnelle à la concentration en diiode.

  1. Suivi de la réaction

À la date t = 0 s, on mélange V1 =20,0 mL d'une solution d'iodure de potassium de concentration C1 = 0,10 mol.L-1 acidifiée avec de l'acide sulfurique en excès, V’ = 8,0 mL d'eau distillée et V2 = 2,0 mL d'eau oxygénée de concentration C2 = 0,10 mol.L-1.

On remplit une cuve spectrophotométrique, et on relève les valeurs de l'absorbance au cours du temps. On détermine alors, grâce à la loi de Beer-Lambert, la concentration [I2] du diiode formé (voir tableau de la question 3.1).

    1. Compléter de façon littérale le tableau descriptif de l'évolution du système (tableau d'avancement de la transformation) ci-après :

Equation de la réaction

H2O2(aq) + 2 I(aq) + 2 H3O+(aq)  I2(aq) + 4 H2O(l)


Etat du système

Avancement

Quantités de matière

Etat initial

0







excès




beaucoup

Etat intermédiaire

x







excès




beaucoup

Etat final

xmax







excès




beaucoup



    1. Déterminer l'avancement maximal. Quel est le réactif limitant ?

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

    1. Etablir la relation entre [I2] et l’avancement x de la réaction.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

    1. Déterminer la valeur théorique de la concentration en diiode formé lorsque la transformation est terminée.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2. Exploitation des résultats

2.1. Compléter le tableau ci-dessous :

t (s)

0

126

434

682

930

1178

1420



[I2] (mmol.L–1)

0,00

1,74

4,06

5,16

5,84

6,26

6,53




x .10-4 (mol)

























2.2. Tracer sur papier millimétré ou à l’aide d’un tableur la courbe x = f(t).

2.3. Définir le temps de demi-réaction t1/2. Le déterminer graphiquement.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

IV) CATALYSE

IV-1) Activité expérimentale : dismutation de l’eau oxygénée

Voir activité expérimentale 2 du chapitre 11

IV-2) Qu’est-ce qu’un catalyseur ?

Un catalyseur est une espèce chimique qui ………………………………… la durée d’une transformation chimique sans modifier son rendement. On dit que la réaction correspondante est …………………………………. Un catalyseur n’est pas ………………………………… * lors de la transformation chimique il n’apparait donc pas dans l’équation de la réaction.

*Le catalayseur interagit avec les réactifs mais il est toujours intégralement restitué en fin de transformation.

Exemples de catalyseurs de la réaction de dismutation de l’eau oxygénée :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

IV-3) Les trois types de catalyse

IV-3-1) Catalyses homogène et hétérogène

Lorsque le catalyseur appartient à la même phase que les réactifs, la catalyse est dite …………………………………. Elle est dite ………………………………… dans le cas contraire.

Exemples de catalyse homogène et de catalyse hétérogènes :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

IV-3-2) Catalyse enzymatique

Lorsque le catalyseur est une ………………………………… (protéine dont le nom se termine en général par ase) la catalyse est dite enzymatique.

Exemple de catalyse enzymatique :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

IV-4) Catalyse en milieu biologique et dans le domaine industriel

Voir § 3.3 et 3.4 de votre livre aux pages 237 et 238

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